Circuito integrato

Tre circuiti integrati nei rispettivipackageDIPplastici con i varipiediniuscenti

Uncircuito integrato(iningleseintegrated circuit,abbreviatoIC) è uncircuito elettronicominiaturizzato dove i varitransistorisono stati formati tutti nello stesso istante grazie a un unico processo fisico-chimico.

Unchip(lett."pezzetto" ) è il componente elettronico composto da una minuscola piastrina delwaferdisilicio(die), a partire dalla quale viene costruito il circuito integrato; in pratica, ilchipè il supporto che contiene gli elementi (attivi o passivi) che costituiscono il circuito. A volte si utilizza il terminechipper indicare complessivamente l'integrato.

Viene realizzato a partire da un die di unwaferdi unsemiconduttore(generalmentesilicio) attraverso diverse possibiliscale di integrazionee rappresenta ilcoreo nucleo o dispositivo di elaborazione delprocessore.Il circuito integrato è adibito, sotto forma direte logicadigitaleoanalogica,a funzionalità di processamento oelaborazionedi ingressi espressi sotto forma disegnali elettrici,al fine di ottenere dati in uscita. L'ideazione del circuito integrato si deve aJack St. Clair Kilby,che nel1958ne costruì il primo esemplare composto da circa dieci componenti elementari, per il quale vinse ilpremio Nobel per la fisicanel2000.

Storia

Robert Noyceinventò il primo IC monolitico nel 1959, fatto disilicioefabbricatousando ilprocesso planarediJean Hoernie il processo dipassivazionediMohamed M. Atalla

Il primo concetto di "circuito integrato" risale al 1949 quando il fisicotedescoWerner JacobidellaSiemens AGbrevettò un circuitoamplificatoresimil-integratoche presentava cinquetransistorsu un substrato unico a tre stadi. Jacobi brevettò il sistema per uso comeapparecchio acustico,come tipico utilizzo industriale. L'idea origine successiva venne presentata dal britannicoGeoffrey Dummer(1909–2002), uno scienziato che lavorava alRoyal Radar Establishmentper conto delMinistero della difesa.Dummer presentò pubblicamente l'idea al "Symposium on Progress in Quality Electronic Components" aWashingtonil 7 maggio 1952.Fece pubblicazioni diverse per la sua idea ma non riuscì a realizzarla concretamente neanche nel 1956. Tra il 1953 e il 1957,Sidney DarlingtoneYasuro TaruidellaElectrotechnical Laboratory(oraNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology) proposero un chip dove diversi transistor erano condivisi su un monolite, ma non c'era nessunisolamento a giunzione p–na separarli.

La creazione di circuiti integrati monolitici (chip) fu possibile dal processo dipassivazionesuperficiale, che stabilizzava elettricamente ilsiliciomedianteossidazione termica,rendendo possibile la fabbricazione dei dispositivi. La passivazione superficiale fu inventata daMohamed M. Atallapresso ilBell Labsnel 1957. Questo rese possibile ilprocesso planare,sviluppato daJean HoerniallaFairchild Semiconductoragli inizi del 1959.Un concetto chiave che sta dietro la realizzazione dei circuiti integrati a semiconduttore è il principio dell'isolamento a giunzione p-n,che permette ad ogni transistor di operare in modo indipendente anche se appunto presenti sulla stessa superficie di silicio. Atalla con il suo processo permise di isolare elettricamentediodie transistor,permettendo la creazione di tali dispositivi aKurt Lehovecpresso laSprague Electricnel 1959,e aRobert Noycedella Fairchild lo stesso anno, qualche mese più tardi.

Neglianni 2000iniziarono ad affermarsi materiali bidimensionali che possono essere impilati separatamente, strato per strato, quali: ilgrafeneo idicalcogenuridimetalli di transizione(TMD), tra cui ilbisolfurodimolibdeno,il bisolfuro ditungsteno,ildiseleniurodi molibdeno e il diseleniuro di tungsteno.

Descrizione

Tali sistemi sono i componentihardwareessenziali dei sistemi di elaborazione dati quali ad esempio icomputer(es.processoreoCPU); imicroprocessorie imicrocontrollorisono gli integrati presenti su moltissimi dispositivi elettronici. Il circuito elettronico è realizzato su unsubstratodi materialesemiconduttore(in generesilicioma anchearseniuro di gallioo altro) chiamatodiee può essere costituito da poche unità fino a qualche centinaio di milioni di componenti elettronici elementari (transistor,diodi,condensatorieresistori). Il termineintegratofa riferimento proprio alla presenza di una vasta e spesso alta concentrazione, in funzione della cosiddettascala di integrazionee in una piccola area, di componenti elettronici di base utili alprocessingdel segnale entrante.

Il costo di fabbricazione di un circuito integrato varia molto poco (o rimane costante) al crescere della sua complessità, per cui è molto più economico sviluppare circuiti complessi, composti di una serie di stadi interni interconnessi fra loro e con l'esterno, che accentrino tutte le funzioni necessarie ad una specifica apparecchiatura. Per questo, l'industriamicroelettronicaoffre relativamente pochi tipi di IC generici (general purpose), ma decine di migliaia di IC specializzati (special purpose) ovvero ciascuno progettato per uno scopo specifico.

Il costo di vendita al dettaglio al pubblico è piuttosto contenuto variando a seconda dei tipi tra i 2 e gli 8€,mentre l'incremento nel tempo del numero di componenti elettronici integrati sul chip segue lalegge di Moore.

Componenti integrabili

In un circuito integrato si possono integrare facilmente transistor e diodi: è possibile creare nel substrato semiconduttore anche piccoleresistenzeecondensatori,ma in genere questi ultimi componenti occupano molto spazio sul chip e si tende ad evitarne l'uso, sostituendoli quando possibile con reti di transistor. È possibile integrare ancheinduttori,ma il valore delle induttanze ottenibili è molto piccolo (nell'ordine deinanohenry(nH)): il loro impiego è molto limitato a causa dell'enorme occupazione di area che anch'esse richiedono, anche solo per realizzare induttori di piccolissimo valore. Inoltre, la tecnologia realizzativa dei circuiti integrati (non dedicati alle altissime frequenze) e quindi i notevoli effetti parassiti ne limitano sensibilmente le prestazioni, soprattutto se paragonati ai classici induttori non su circuito integrato. Tali induttori integrati vengono solitamente impiegati nei circuiti integrati aradiofrequenze(LNA,mixer,ecc), ad esempio a frequenze attorno aigigahertz(GHz). Condensatori di media e grande capacità non sono assolutamente integrabili. Sono disponibili invece vari tipi di integrati aventi la funzionerelè,ovvero dispositivi dotati di ingressi logici, per mezzo dei quali interrompere o deviare segnali analogici anche multipli.

Il contenitore(packagein inglese)

Modulo di memorieSO-DIMMin contenitore BGA (sotto i chip si intravedono le semisfere che costituiscono i contatti)

Un circuito integrato può essere realizzato in diversi contenitori:

• DIL o DIP(Dual In-line Package)
  • SOIC- Small outline integrated circuit
• QFP(Quad-edged Flat Package)
  • HQFP(Heat sinked Quad Flat Package): QFP ad alta dissipazione termica
  • VQFP(Very small Quad Flat Package): QFP plastici ultrasottili
• BGA(Ball Grid Array)
  • μBGA(micro Ball Grid Array): BGA a passo ridotto
  • FF896:BGAflip-chipa passo ridotto e 896 contatti
  • FF1152:BGA flip-chip a passo ridotto e 1152 contatti
• PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)
• InFO-
• CoWos- Chip-on-Wafer-on-Substrate

Il contenitore può essere in metallo, resine plastiche o ceramica. La categoria dei circuiti personalizzati (custom in inglese) comprende contenitori sia in formato standard che fuori standard. Questi ultimi hanno una forma e unapiedinaturaunica. Ne fanno largo impiego i produttori di strumenti di misura elettronici di classe elevata. È in uso da tempo da parte dei produttori, marchiare il componente (almeno i più diffusi), con la data di produzione costituita da un numero di 4 cifre, di cui le prime due indicano l'anno e le seguenti la settimana.

Già prima del 2000 hanno cominciato a essere molto usati i componenti in contenitoriSMD (a montaggio superficiale),perché sono più piccoli, più economici e risparmiano la necessità di forare la basetta portacomponenti, semplificando molto le operazioni di montaggio eseguite su linee di produzione robotizzate.

Scala di integrazione

Lascala di integrazionedi un circuito integrato dà una indicazione della sua complessità, indicando grosso modo quantitransistorsono contenuti in esso. In base alla scala di integrazione, i circuiti possono essere classificati in:

• SSI(Small Scale Integration): meno di 10 transistor.
• MSI(Medium Scale Integration): da 10 a 100 transistor.
• LSI(Large Scale Integration): da 100 a 10000 transistor.
• VLSI(Very Large Scale integration): da 10000 a 100000 transistor.
• ULSI(Ultra Large Scale Integration) (non molto utilizzata): fino a 10 milioni di transistor.

Per numeri superiori di transistor presenti, l'integrazione viene definita comeWSI(Wafer Scale Integration), potendo contenere un intero computer.

Collegata alla scala di integrazione vi è la capacità performante del circuito integrato, che aumenta con il numero dei transistor in accordo con lalegge di Moore.

Il processo di realizzazione

Disegno di un ipotetico circuito integrato

Circuito integrato al microscopio

Il materiale di partenza è una fetta circolare (wafer) di semiconduttore, dettasubstrato,questo materiale, in genere già debolmentedrogato,viene drogato ulteriormente perimpiantazione ionicao perdiffusione termicaper creare le zone attive dei vari dispositivi (es. zonepennei transistor); poi vengono depositati, cresciuti perepitassiaoppure termicamente, una serie di sottili strati di materiali diversi:

• Strati di semiconduttore policristallino (definito di grado elettronico EGS,ElectronicGradeSilicon,cioè silicio con meno di un'impurità ogni miliardo di atomi e quindi molto puro);
• Strati isolanti sottili;
• Strati isolanti di ossido, molto più spessi;
• Strati metallici (siliciurio metalli come ad esempioalluminio,tungstenoo più raramenterame) per i collegamenti elettrici.

La geometria delle zone che devono ricevere il drogaggio e quella dei vari strati è impressa sul substrato con un processo difotolitografia:ogni volta che il circuito integrato in lavorazione deve ricevere un nuovo strato o una nuova impiantazione di droganti, viene ricoperto di un sottile film fotosensibile, che viene impressionato attraverso un negativo fotografico (detto "maschera" o "layout" ) ad altissima definizione.

Le zone del film illuminate divengono solubili e vengono asportate dal lavaggio, lasciando scoperto il chip sottostante, pronto per la prossima fase di lavorazione, rimozione selettiva o drogaggio delle aree prive del film fotosensibile.

Stazione di saldatura manuale dei sottili fili tra le piazzole deldiee ipindelpackage.Attualmente la procedura è automatizzata

Una volta terminata la creazione dei chip sul substrato, questi vengono testati, il substrato viene tagliato e i chip incapsulati nei contenitori(packagesin inglese) con cui verranno montati suicircuiti stampatiattraverso i piedini, detti anchepinin inglese.

Tipologie

Interno di un circuito integrato chiamatodie

I circuiti integrati si dividono principalmente in due grandi categorie: analogici e digitali. Esistono tipi di circuito che non rientrano in queste due: essi hanno funzioni particolari, di uso meno diffuso, come, ad esempio, isample and hold.I produttori le raggruppano in sottocategorie specializzate.

Quelli analogici sono concepiti per elaborare segnali analogici (cioè che possono variare con continuità nel tempo in modo arbitrario), mentre quelli digitali sono creati per trattare con segnali digitali binari, che possono assumere soltanto due valori "legittimi" diversi. Un esempio di IC analogico generico è l'amplificatore operazionale,mentre esempi di IC digitali sono leporte logiche,imultiplexere icontatori.

Diedi un microprocessore e di una memoria a confronto

Storicamente i primi circuiti integrati furono digitali, sviluppati per i primicomputer.Questi IC adottavano schemi elettrici interni di tipoRTL(daResistorTransistorLogic), cioè integravano una serie diresistenzesu semiconduttore per le polarizzazioni interne: successivamente le resistenze vennero sostituite condiodi,ottenendo schemiDTL(DiodeTransistorLogic), e nel 1961 anche i diodi furono sostituiti con transistor nella famigliaTTL(TransistorTransistorLogic), a cui sono seguite le varianti a basso consumo (LS) e quelle più veloci.

Esiste una famiglia chiamataECL(EmitterCoupledLogic) il cui principio di funzionamento fu realizzato nel 1956 nei laboratoriIBM;di impiego meno diffuso delle altre ma tuttora usata, è caratterizzata da una velocità di commutazione estremamente rapida, a scapito però del consumo di corrente, molto elevato.

A seconda del tipo ditransistorutilizzato, i circuiti integrati si dividono poi ulteriormente inBipolarise usanotransistorbipolari classici oCMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor) se usano transistorMOSFET.Negli anni '90 laIntelmise a punto una nuova tecnologia ibrida per i suoi microprocessori, dettaBiCMOS,che permette di usare entrambi i tipi di transistor sullo stesso chip.

Versioni per il mercato

Come avviene per molti componenti elettronici, includendo diodi e transistor, anche i circuiti integrati vengono commercializzati in due o più versioni, aventi ciascuna prestazioni elettriche e termiche differenti. Dato che i chip non hanno tutti caratteristiche elettriche perfettamente identiche, il produttore opera una selezione, dividendo in due o più fasce prestazionali lo stesso circuito. Anche ilpackagepuò essere diverso.

I parametri sui quali viene fatta la selezione possono essere i più vari: temperatura di lavoro garantita, percentuale di errore nella conversione nel caso di un convertitore A/D, grado di linearità di un sensore di temperatura, tensione di lavoro garantita e tanti altri. Per esempio, l'amplificatore operazionale LM108 viene commercializzato anche nella versione LM208 e LM308; il primo ha prestazioni migliori dei secondi, compresa la tensione di lavoro, il vantaggio di poter alimentare l'operazionale con 18 volt speculari invece di 15, permette di avere un segnale di uscita con un livello di tensione più alto, oppure, alimentato con una tensione minore, garantire al circuito in cui è impiegato, una maggiore affidabilità nel tempo.

In genere, le fasce di temperatura di lavoro che si possono garantire per le più diffuse famiglie di circuiti integrati sono quattro:

• la fascia "consumer"(TV, hi-fi, telefoni, etc.) 0 ÷ 75 °C
• la fascia "industrial"(robotica,automazione,apparecchiature industriali) -25 ÷ 85 °C
• la fascia "automotive"(applicazioni nel campo automobilistico) -40 ÷ 85 °C (che tende a sostituire la fascia" industrial ")
• la fascia "military"(apparecchiature mediche, militari, satellitari) -55 ÷ 125 °C

Ovviamente il prezzo del dispositivo varia anche notevolmente da una fascia ad un'altra. Il package dei dispositivi in fascia military è quasi esclusivamente ceramico.

Un circuito integratoSMTmontato sucircuito stampato

In alcuni casi, è il costruttore stesso di un'apparecchiatura elettronica ad effettuare un'ulteriore selezione, volta ad ottenere il componente con caratteristiche ancora superiori, necessarie all'impiego previsto nel circuito in progetto.

Nei casi estremi, quando nessun circuito in commercio possiede le caratteristiche necessarie per il progetto in corso, il costruttore progetta e realizza da sé il componente o affida ad altri la realizzazione; il componente porterà una sigla non commerciale e potrà avere caratteristiche non standard. Sarà uncustom.

Costo e impatto

I costi di realizzazione dei circuiti integrati si sono ridotti notevolmente nel tempo grazie a tecnologie sempre più efficienti ed automatizzate e alla forteeconomia di scalae sono divenuti ormai componenti elettronici circuitali a costo relativamente basso.

SecondoMcKinsey,dal 1995 al 2015 l'industria dei microchip ha generato unfatturatodi 3.000 miliardi di dollari e unindottodi 11.000.

Riciclo

IBM ha elaborato nel 2007 un metodo per riciclare il silicio contenuto nei chip e per poterlo riutilizzare persistemi fotovoltaici.Il processo ha vinto "Most Valuable Pollution Prevention Award"nel 2007.

Voci correlate

• Chipset
• CMOS
• Componente elettronico
• Die (elettronica)
• Jack St. Clair Kilby
• Logica NMOS
• Logica PMOS
• Microcontrollore
• Microprocessore
• Package (elettronica)
• Transistor

Altri progetti

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Collegamenti esterni

• Circuito integrato,suTreccani.it – Enciclopedie on line,Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• (EN) Christopher Saint e Judy Lynne Saint,integrated circuit,suEnciclopedia Britannica,Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN)Opere riguardanti Circuito integrato,suOpen Library,Internet Archive.
• (EN)integrated circuit,inFree On-line Dictionary of Computing,Denis Howe.Disponibile con licenzaGFDL